机器人快换接头毕业设计资料Word格式文档下载.docx
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thedesignoftherobotmanuallyquickchangeconnectors.Robot,quickchangeconnectorisusedforrapid,efficientreplacementactuatorsattheendoftherobotarmdevice,canendinafewsecondstocompleteactuatorschange,thusgreatlyimprovetheworkefficiencyoftherobot.Ontologyandthistopicopponenttomovefasterinjointlockingdeviceisthekeyofthemechanicalpartofthestudyofthegasportroadcirculation.Thestandorfalloflockingdevicedesigndeterminestheleveloftheabilityofquickchangejointlocking,andpneumaticairtightnessdeterminesthequalityofairsupply.Thisdesigninadditiontotheintroductiontotheclassificationofthequickchangeconnectorsandthepresentsituation,thedesignofthelockingdeviceandportroadcirculationresearch,alsointroducestherobotautomaticquickchangeconnectors,andthencomparedwiththemanualdidsomequickchangejoint.
Keywords:
RobotquickchangeconnectorsLockingdevicePneumaticcirculationports
第一章绪论
1.1选题背景
随着科技的进步，工业生产正逐步走向一体化和智能化。
本世纪60年代初为了加快工业生产力的发展，工业机器人应运而生，到如今机器人已成为大多数工业生产线不可缺少的“操作者”，机器人的运用代替了传统的劳动力生产，给工业生产带来了巨大的变革。
长久以来，传统的工业生产都是依靠工人进行操作。
然而在工业生产中，有许多工序都是需要不断地进行机械式的重复的，其过程枯燥乏味。
不仅如此，工业生产线的环境有时也相对恶劣，越来越不适合人工作业，机器人的出现帮助工人摆脱了恶劣的环境和枯燥乏味的工作状态。
虽然机器人在充满危险的环境下可以将繁重复杂、精密度要求高的工作完成得很出色，但是当代工业对生产商品的要求已不只在于质，他们对数量的需求也越来越高，所以提高机器人的作业速度是当前的主要任务之一。
提高机器人作业速度的方式之一就是减少机器人手臂末端执行器的更换时间，为了解决执行器更换速度慢、柔性差的问题，许多公司相继推出了机器人快换接头。
快换接头的出现无疑是提高了工业机器人的作业效率，给工业生产带来了方便。
现在，快换接头获得了普遍的运用，变成大多数工业机器人的重要组成部分。
机器人快换接头在世界各地都能买到，从机器人快换接头输出规模来看，美国、德国、法国位居全球前三，其他国家在机器人快换接头的生产上也紧随其后。
1.2机器人快换接头简述
此次的课题是研究机器人快换接头的组成及主体机械部分的设计。
机器人快换接头的主体部分由主端口和工具端口两部分组成，主端口与机器人的手臂相连接，工具端口与机器人手臂的末端执行器相连接。
机器人快换接头的作用就是在机器人需要更换末端执行器时，减少人工的干预，缩短更换的时间，在电路与气路的帮助下将末端执行器精确定位到工业机器人的手臂末端。
1.3发展前景
随着经济与科技水平的发展，工业生产也达到了空前的盛状，工业机器人也越来也多的运用到了生产线中，逐步取代了传统的劳动力。
在机器人的实际应用中，社会需求激励着机器人技术不断地改进、优化，机器人快换接头就是为提高工业机器人的生产率和柔性而问世的。
现如今，工业机器人越发普遍地运用到了生活当中，所从事的行业由工业制造领域延伸到了医疗领域和军事领域，这就需要快换接头也随着机器人性能的变化不断地优化和改良，所以在未来，快换接头的发展远景还是十分可观的。
1.4意义
该机器人快换接头虽然体积不大，但是它的外观简洁，内部结构细致，大有“麻雀虽小，五脏俱全”之势。
在国内，机器人快换接头的生产技术还远不如国外，所以更要致力于该项目的研究。
本课题的研究与设计不仅符合我国生产领域的发展趋势，也会给我将来的学习与工作带来很大的帮助。
第二章机器人快换接头特点和国内外状态
2.1机器人快换接头的定义
机器人快换接头是一种通过快速更换机器人末端执行器，使机器人更具柔性的装置。
2.2机器人快换接头的特点
（1）、在工业生产线中，机器人快换接头能在短短数秒内完成末端执行器的更换；
（2）、机器人在作业时，其维护和修理工具的更换快速、高效，大大减少机器人的停工时间，从而减少生产过程中的损失；
（3）、在投入实际生产应用时，机器人快换接头能够帮助机器人使用多个末端执行器，因而增加了柔性；
（4）、末端执行器的传统更换方式过于笨重、繁琐，而自动交换单一功能的末端执行器方便快捷，完全可以取而代之。
（5）、对于一些重要的应用，机器人快换接头还能提供一些备份工具，尽量避免意外事件的发生。
2.3机器人快换接头国内外发展情况
2.3.1国内状况
我国对机器人快换接头的研究开始得晚，而且发展相对慢一些。
虽然国内的研究所和大学的相关部门都有研究，但是由于专业知识的局限性，专业技术水平也有待提高。
国内生产的机器人快换接头普遍存在的问题就是产品的可靠性低、通用性差且成本较高。
现如今工业机器人在我国的应用越来越广泛，机器人快换接头的应用也随之增加，但是这与国内的快换接头的生产水平相矛盾，所以快换接头生产的当务之急就是降低生产成本、提高生产技术水平。
2.3.2国外状况
从目前来看，国外在机器人快换接头技术方面优于我国。
他们对这方面的研究早于我国，发展也相对快于我国，所以机器人快换接头的质量也高于国内。
但是，他们的价格昂贵，相关的技术也不对外公开。
考虑到成本问题，许多的买家在机器人快换接头的购买上犹豫不决。
在国外，工业生产已经趋于一体化和智能化，机器人在工业生产中的应用也已经越来越普遍，为提高机器人的作业效率，机器人快换接头也逐渐成为机器人的标配。
2.3.3企业快换接头举例
美国ATI公司对机器人快换接头的研究起于1989年，当时机器人的生产效率有待提高，加快机器人手臂末端执行器的更换速度成为提高机器人作业效率的方法之一。
机器人快换接头的诞生为机器人手臂末端执行器的更换节约了大量的时间，为工业生产注入了新的能量。
如图2-1所示，为美国ATI公司的QC-20快换接头，该自动快换接头由主端口和工具端口两部分组成。
机器人手臂末端执行器在需要更换时，会逐步接近并对准工具端口，主端口中的滚珠会在空气流的推动下进入锁紧环，被牢牢锁住。
当空气流注入解锁端口时，锁紧装置中的滚珠就会松开。
图2-1美国ATI公司的QC-20快换接头
图2-2所示的德国SCHUNK公司的快换接头与AIT公司的QC-20快换接头相似，也是利用滚珠在气流的推动下的移动来实现锁紧的。
图2-2德国SCHUNK公司快换接头
意大利GIMATICS.p.A公司对机器人快换接头的研究也颇有成果。
图2-3所示即为该公司研制的快换接头，该快换接头同样是由主端口和工具端口两部分组成。
该装置的锁紧是通过工具端口的三个定位销来实现的，在锁紧时，工具端口的定位销与主端口相对接，同时旋转主端口，使工具端口的定位销插入主端口的卡槽中，实现锁紧。
图2-3意大利快换接头
第三章机器人快换接头简介
3.1机器人快换接头分类
机器人快换接头的造型美观，形状多样。
虽然一个机器人快换接头只能安装在一台机器人上，但是它能够方便灵活地安装在大部分工业机器人上，在多样的机器人加工领域表现得游刃有余。
为了适应机器人在生产线中高强度、高精度的作业，机器人快换接头不仅具有高的硬度和负载能力，同时还具有显著的重复性。
最重要的是，机器人快换接头能够快速更换机器人末端执行器，并且易于容纳同一装配机器或加工中心的多种不同零件，是机器人应用的理想选择。
机器人快换接头按照本体部分锁紧装置的不同大体可分为两种：
一种是自动快换接头，另一种是手动快换接头。
3.1.1机器人自动快换接头
如图3-1所示为机器人自动快换接头，在快换系统的支持下，机器人自动快换接头会根据需要自动更换末端执行器来完成相应的任务。
将选好的工具与机器人快换接头的工具端口相连接，机器人手臂与主端口相连接。
快换接头上的定位销、销孔、电路、气路以及锁紧装置都能够帮助其进行准确的定位。
在机器人手臂移动到确定的位置和姿态的时候，锁紧装置就会立刻启动，进而实现锁紧。
图3-1机器人自动快换接头
3.1.2机器人手动快换接头
如图3-2所示为机器人手动快换接头，机器人手臂末端执行器在该快换接头的作用下，能够在几秒内快速地完成相应的更换。
机器人手动快换接头的空气端口和电气连接器能够向系统输出瞬时动力，无需手动重新连接空气管道，从而减少了机器人的停工时间。
与自动快换接头不同的是，在进行锁紧、释放的过程中手动快换接头需要人工的干预，才能完成末端执行器的更换。
图3-2机器人手动快换接头
3.2机器人快换接头应具有的特性
综合考虑机器人快换接头的工作方式以及工作环境，机器人快换接头应该具备以下的特性：
（1）、具有足够强的稳定性。
当快换接头产生故障或者它的气压消失时，为了能够保证稳定可靠的连接，往往需要机器人快换接头具有足够的连接强度。
而具有强稳定性的快换接头的锁紧装置能够出色地完成防止主端口与工具端口分离的任务。
（2）、结构必须紧凑，尺寸要尽量的小。
不同的机器人有不同的承重量，在设计机器人快换接头时要将机器人的最大持重量考虑在内。
在保证不影响机器人功能发挥的前提下，机器人快换接头的尺寸要尽可能小，结构也要尽量紧凑，这样可以将对机器人运作时灵活性的影响降到最低。
（3）、重量轻
机器人手臂的持重量有限，如果机器人快换接头的重量过大那么末端执行器以及所夹持的物品的重量和种类将会受到更大的限制。
所以，快换接头的选材显得尤为重要，应该尽量选择比重较轻的材料。
（4）、通过性必须良好。
机器人在进行末端执行器的更换时也会出现一些突发状况，为了保证末端执行器能够顺利地更换，机器人快换接头应该具备供气流流通的气路连接口，供信号交流的信号线所对应的端口以及允许电流流入的端口等。
（5）、位置精度要保持足够。
工业生产中对机器人作业时的位置精度的要求是非常高的，位置精度不够往往会造成产品质量的不合格，影响产量。
机器人快换接头的位置精度越高，末端执行器的连接与释放就会越准确。
第四章手动快换接头的设计
4.1设计内容
在我充分了解了机器人快换接头的特性、优点、工作原理以及适用的范围之后，基于对造型美观简洁的设计理念，确定了快换接头的外部轮廓；
结合工业生产的现状提出了对快换接头本体机械部分相关细节的设计内容，并确定了有关的参数。
在对机器人快换接头的研究中，我通过查阅资料的方法完成了该装置的细节上的设计、零件图及装配图的绘制。
机器人快换接头作为机器人中的一部分，在工业生产中起到了很大的作用，在它的帮助下机器人得以在几秒内完成末端执行器的更换，进而使机器人更具柔性。
4.2材料及参数的选择与设定
因为机器人手臂的承重有限，所以选择密度较小的铝合金作为快换接头本体的材料。
考虑到机器人应具备足够强的稳定性，在一些需要高耐磨性的零件的选择上尽量采用经过并行热处理的碳钢。
因为该手动快换接头的使用对象为不超过12kg的物体，所以结合查阅的相关资料及实地观察将快换接头的质量控制在HWK的质量0.23kg,HWA的质量0.12kg。
并将它能抓取物件的最大重量设定为12kg。
（1）、锁紧力矩的设定
机器人末端执行器不抓取重物时，机器人快换接头所承受的重量（末端执行器的重量）为6kg,因为手动快换接头在工作时所承受的总重（末端执行器和重物的总和）最多为18kg，所以机器人快换接头所承受的力
最小为60N，最大为180N。
机器人快换接头的直径d为50mm。
根据公式
（h为快换接头的半径d/2）可知快换接头的锁紧力矩为1.5-4.5N·
m。
（2）、强度的计算
根据表4-1常用材料的主要力学性能可知，铝合金的屈服点应力σs为274MPa。
表4-1常用材料的主要力学性能
材料名称
牌号
σs/MPa
σb/MPa
δ5/％
普通碳素钢
Q235
235
372～392
25～27
Q275
274
490～519
21
优质碳素钢
35
314
529
20
45
353
598
15
50
372
527
14
低合金钢
09MnV
294
431
22
12Mn
280
500
合金钢
20Cr
539
833
10
40Cr
784
980
9
30CrMnSi
882
1078
8
铝合金
LY12
412
19
因为铝合金是塑性材料所以安全因数n为1.5～2.5。
考虑到安全与经济方面的问题，取较合适的安全因数以达到最实用的目的。
（其中［σ］为许用应力，
为屈服点应力，n为安全因数），可求得许用应力可取为109.6～1182.7MPa。
取许用应力为110MPa，将工具端口与中间销接触的一个面近似看做直径为3.3mm的圆，受力图如图4-1所示。
图4-1中间销的受力图
，可知
；
根据
，求得该装置是安全的；
，通过变换得
综合安全与便捷方面的考量，由此可设定结构的许可载荷为900N。
4.3整体装配
机器人手动快换接头由主端口盘盖、工具端口、中间销、手柄、锁紧螺栓、定位销组成，如图4-2所示。
详细的外部轮廓如图4-3、4-4、4-5所示。
图4-2机器人手动快换接头
图4-3手动快换接头装配图A图4-4手动快换接头装配图B
图4-5手动快换接头装配图C
4.3.1具体操作
图4-6手动快换接头操作图
1、释放操作：
打开手柄90度，不需要完全打开手柄，只需轻轻打开一些就可以让半圆柱螺栓轻轻旋转。
然后逆时针方向旋转主端口上的手柄，直到停止。
将手柄放到打开的位置就无法实现连接，主端口和工具端口可以在这个位置上任意移动，如图4-6所示。
2、锁紧操作
顺时针旋转主端口上的手柄180度直到停止，就实现了锁紧。
合拢手柄90度，将锁紧螺栓插入与之对应的孔中，固定手柄的位置即为图4-6的逆向操作。
4.3.2装配注意事项
在设计零件的时候首先要考虑的就是尺寸的问题，各个零件在配合尺寸的设定上一定要结合装配的实际需求，提前确定好相应的尺寸。
在装配的过中如若遇到装配不上的问题，切勿将装配图全盘否决，要耐心寻找问题的所在，如果发现是零件的设计尺寸有问题，应将该零件重新设计。
如果要装配的零件数量繁多，应该将要装配的零件分成几个部分分别进行装配，再将装配好的几个部分总体装配。
这样做的好处是当装配过程中出现问题的时候，可以缩小问题出现的范围，缩短查找问题的时间。
4.4主端口盘盖的设计
以造型美观简洁的设计理念为前提，将机器人快换接头设计为圆盘的形状。
在不影响快换接头的性能的前提下将分度圆直径设定为50mm，厚度不超过30mm。
机器人快换接头的主端口盘盖在设计时，将主端口的侧面供空气流流通的端口设计为螺纹孔，其尺寸为M5，留出的密封沟槽用来放置圆环形密封圈，这样的设计可以提高气路的气密性。
密封圈的选择对气密性的影响也是不可忽视的，一般以橡胶或者皮革材料为主。
在盘盖异于空气流通端口的一侧切槽，留出供电机控制连接器连接的螺纹孔，并在开槽一侧通直径为10mm的光孔贯穿至相对面，为锁紧装置中的中间销预留空间，具体尺寸如图4-7所示。
外部轮廓采用光滑的曲面，既美观也将对机器人作业时的影响降低到最小，如图4-8所示。
图4-7主端口盘盖
图4-8主端口盘盖
图4-9为主端口的局部图，主端口对接表面的气源流通端口设计成圆孔，其孔直径设定为3mm。
因该孔在对接的时候容易产生漏气的现象，使整个装置在运作时无法实现快换的效果。
所以结合实际情况，将圆孔改为锥孔，并将表面锪平，这样做有利于增强装置的气密性。
图4-9主端口局部图
4.5定位销的选择
销作为标准件，起到连接零件的作用。
工业生产中常用到的销主要是圆柱销和圆锥销两种。
该快换接头所用的定位销为圆柱销，在快换接头主端口与工具端口连接锁紧时，将主端口中该定位销插到与之相对应的光孔中，起到精确定位的作用。
为了能与主端口和工具端口的定位孔相匹配，将定位销的直径d设置为4mm,根据表4-2圆柱销的选择标准将该定位销的长度l设置为12mm。
表4-2圆柱销选择标准（mm）
d
m6/h8
2
2.5
3
4
5
c≈
0.35
0.40
0.50
0.63
0.80
l（商品范围）
6～20
6～24
8～30
10～50
l系列
6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28、30、32、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、120、140、160、180、200（公称长度大于200mm，按20mm递增）。
续表
6
12
16
1.2
1.6
2.0
3.0
3.5
12～60
14～80
16～95
22～140
26～180
35～200
4.6锁紧装置的设计
锁紧装置由手柄、锁紧螺栓、中间销组成，该装置是机器人快换接头的核心部分。
4.6.1中间销的设计
中间销作为锁紧装置中的主要组成部分，在锁紧过程中发挥着极大的作用。
在选用中间销的尺寸时，参考标准与固定销相同。
选用直径为10mm的圆柱销，参考主端口盘盖的的尺寸，将中间销的长度设置为37mm，为了适应实际的装配需要，在中间销的一端预留一个供与手柄相连接的部分，具体尺寸如图4-10所示。
图4-10中间销
在设计中间销时选择圆柱销为原型，圆柱形的中间销虽然在动力源消失时也能实现锁紧的目的，但是在快换接头更换末端执行器时需要将快换装置中的各零件拆开才能实现更换，无法满足机器人快换接头在数秒内完成更换的要求。
所以在中间销的中间部分开了如图4-11所示的槽，这样就可以通过锁紧装置旋转的方式实现锁紧与释放，缩短末端执行器的更换时间。
值得注意的是该槽的位置要与主端口的盘盖相适应。
图4-11中间销
4.6.2锁紧装置手柄的设计
手动快换接头在末端执行器更换时需要人工将中间销旋转，进而将主端口和工具端口分离。
为了便于手动操作也为了固定中间销旋转后的状态，需要给中间销增加一个手柄和锁紧螺栓。
如图4-12所示，手柄的形状设计成圆弧形，且手柄的内侧与主端口的外轮廓相贴合，其厚度与宽度适中，其厚度设置为4mm，宽宽度设置为10mm。
在手柄的一端预留出与中间销连接的部分，另一端预留出与锁紧销连接的部分，且该部分要结合锁紧销来进行设计。
图4-12手柄
将端面设计成曲面的形式，这样设计的目的不仅是为了美观，也是为了不影响机器人的正常作业，外部轮廓如图4-13所示。
图4-13手柄
4.6.3锁紧销的设计
锁紧销的作用是通过将手柄的位置固定在主端口的侧面，从而实现中间销对快换接头的锁紧，参照表4-2中的标准，具体尺寸如图4-14所示，外部轮廓如图4-15所示。
图4-14锁紧销
图4-15锁紧销
4.6.4固定销的选择
图4
升级会员 